復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道施工關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

摘要 文章以邦山隧道工程項目為依托針對復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道施工關(guān)鍵技術(shù)進行分析，首先通過對該隧道工程項目進行勘察，得出了三條主要斷層的特征及對該隧道項目的主要影響，并探討了巖溶發(fā)展特征和規(guī)律；然后通過采取工程優(yōu)化措施，采用了超前小導(dǎo)管注漿支護技術(shù)和三臺階七步開挖施工技術(shù)，有效控制了圍巖變形，提高了施工安全性。研究結(jié)果表明，這些技術(shù)的應(yīng)用對于優(yōu)化隧道施工技術(shù)、降低工程風(fēng)險具有重要的指導(dǎo)意義，也為類似工程提供了實踐經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞 隧道施工；斷層；巖溶；超前支護；三臺階七步開挖

中圖分類號 U445.4 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）24-0079-03

0 引言

隧道工程作為交通基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵組成部分，扮演著舉足輕重的地位，然而隧道建設(shè)過程中所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)也非常嚴(yán)峻，尤其是大斷面隧道在穿越復(fù)雜的地質(zhì)條件時，將遇到如高地應(yīng)力、高地溫、硬巖巖爆及大斷裂帶的擠壓大變形等施工難題，對隧道施工的安全性構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。上述難題不僅增加了工程的難度，也對隧道的設(shè)計、施工和管理提出了更高要求。因此，開展大斷面復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道關(guān)鍵施工技術(shù)研究，對于提高隧道建設(shè)的安全性、保障工程項目順利開展具有重要的理論和實踐意義[1]。該文以某隧道工程項目為依托，通過對工程施工重難點進行分析，探討隧道工程施工的優(yōu)化措施，以期為類似工程提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 工程概況

邦山隧道工程項目采用分離式雙洞布置，頂部主要由中等風(fēng)化灰?guī)r和砂巖構(gòu)成。地下水在隧道的存在形式主要是基巖裂隙水和巖溶水。據(jù)統(tǒng)計，隧道雙洞的平均正常涌水量為5 200 m3/d，最大涌水量可達到17 146 m3/d。根據(jù)地質(zhì)勘察資料可知，從出口段至K145+400段的圍巖破碎嚴(yán)重，并存在溶洞現(xiàn)象，土層中含水量較大，尤其是隧道出口處，巖溶現(xiàn)象尤為明顯，溶洞大小不一，部分區(qū)域形成空洞，而其他部分則由可塑性的亞黏土和含礫亞黏土組成。

2 工程施工難點

2.1 斷層特征及其工程影響

受第二隆起帶及區(qū)域構(gòu)造帶的共同作用，該地區(qū)形成了兩條近乎南北走向的斷層F135與F136，以及一條近乎北東向的斷層F135a。斷層F135和F135a在YK145+065的位置，與隧道軸線形成了一個較大夾角的相交，顯著影響隧道周圍的巖體穩(wěn)定性；而斷層F136則在YK145+530處，與隧道軸線相交。斷層作用導(dǎo)致其附近的巖石風(fēng)化加劇、破碎，層理結(jié)構(gòu)發(fā)育，且斷層面擦痕顯著。

在隧道選址區(qū)域存在三處崩塌點，分別將其命名為H33、H34和H35，具體見表1所示。這些崩塌主要由人為開挖活動形成，導(dǎo)致陡坡產(chǎn)生，從而致使表層土體懸空。另一方面，在地下水和降雨的共同作用下，殘坡積土和砂巖風(fēng)化層的土體重量增加，抗剪強度降低，沿土巖接觸面發(fā)生滑動崩塌，而崩塌物質(zhì)主要由碎石和黏土組成，存在進一步失穩(wěn)的風(fēng)險。

此外，在隧道出口ZK145+722右側(cè)6.4 m處，發(fā)現(xiàn)一處廢棄的采煤探洞，洞高2 m，寬2 m，走向約為136°，總長度約220 m，且洞壁未進行支護。該探洞沿走向線以約30°的傾角向下延伸約40 m后轉(zhuǎn)為水平方向，與規(guī)劃中的隧道左洞在ZK145+712處相交，探洞頂板高程約為407 m，相對隧道底板低約12.8 m。在隧道開挖過程中，上述情況可能導(dǎo)致煤巖層松動，進而引起坍塌，對路面行車安全構(gòu)成威脅。

2.2 巖溶發(fā)育及其規(guī)律

該區(qū)域巖溶作用顯著，巖體中廣泛分布眾多大小不一的溶洞，以及錯綜復(fù)雜的溶蝕裂隙等。根據(jù)各地詳勘資料的統(tǒng)計分析，該區(qū)域巖溶現(xiàn)象普遍，尤其在鉆探過程中遇洞頻率較高，以橋梁區(qū)域的巖溶發(fā)育最為顯著，鉆探遇洞率高達97%。

盡管巖溶作用的發(fā)展受多種因素的共同影響，其發(fā)育模式極為復(fù)雜，但仍可辨識出一定的規(guī)律性。在區(qū)域平面上，從盆地邊緣的山區(qū)向盆地中心的平原地帶，巖溶作用的強度逐漸增加，尤其是在盆地中部的河谷平原區(qū)域，溶洞分布尤為密集，構(gòu)成了巖溶作用的強烈發(fā)育區(qū)。

在Y145+000出口段，巖溶作用同樣顯著，溶洞的頂板埋藏深度為14.7～101.5 m，底板埋藏深度則在18.8～102.0 m，溶洞的厚度范圍從0.3～9.7 m不等。其中，串珠狀溶洞中埋藏最淺的深度約14.7 m，厚度約為4.1 m。所揭露的溶洞多數(shù)為全充填至半充填狀態(tài)，充填物質(zhì)主要為黏土和碎石，碎石成分以灰?guī)r和方解石為主。這些特征表明，該區(qū)域的巖溶作用對隧道工程的規(guī)劃與施工具有重要影響。

在隧道溶洞段ZK145+195段施工進

行數(shù)值模擬，模擬過程中將溶洞定義為圓球狀，整體溶洞模型透視圖如圖1所示。

2.3 隧道施工地質(zhì)災(zāi)害分析

在該隧道的施工過程中，面臨著一系列復(fù)雜的地質(zhì)條件。首先，隧道圍巖的整體條件較差，其中Ⅳ級圍巖占比較低，而Ⅴ級圍巖則占比較高，表明隧道的圍巖穩(wěn)定性差，易發(fā)生變形和坍塌。特別是隧道左線和右線的Ⅴ級圍巖，其占比均超過75%，增大了施工難度和風(fēng)險。

其次，隧道巖體破碎，存在斷層和巖溶問題，隧道出口圍巖的巖溶發(fā)育，以及廢棄采煤探洞的存在，導(dǎo)致圍巖穩(wěn)定性顯著降低。在圍巖等級較高的部位及巖性分界段，圍巖穩(wěn)定性較差，在施工過程中可能產(chǎn)生大量的掉塊現(xiàn)象。在涌水突泥方面，隧道的正常涌水量和最大涌水量均較大，需要在施工時進行探水的超前預(yù)報，并準(zhǔn)備突水漏水事故的處理預(yù)案。特別是在巖溶發(fā)育地段、斷層部位，這些區(qū)域作為儲水部位，水量較大將給施工增加額外風(fēng)險。

最后，隧道圍巖中存在煤層，可能存在瓦斯的局部聚集，在施工過程中必須遵循相關(guān)施工規(guī)定，確保施工安全。

3 施工地質(zhì)災(zāi)害防治與工程優(yōu)化措施

3.1 斷層破碎帶超前支護

在該隧道工程中，針對斷層破碎帶的超前支護主要采用注漿擴散施工技術(shù)。該施工技術(shù)所使用的漿液在地層中的擴散方式主要包括滲透擴散（a）、劈裂擴散（b）、裂隙填充（c）和擠壓填充（d）等四種，其擴散機理模式見圖2所示。在滲透擴散過程中，漿液在壓力作用下通過地層孔隙或裂隙進行填充，增強地層的密實度并提高其承載能力；劈裂擴散則是在注漿壓力超過地層的劈裂壓力時發(fā)生，漿液沿地層產(chǎn)生的裂縫進行擴散，進一步加固地層；裂隙填充主要針對殘積層、斷層破碎帶等，當(dāng)漿液滿足裂隙寬度要求時，能夠有效填充裂隙，增強地層的整體性；而擠壓填充則是通過壓力將漿液擠入土體，改善其物理力學(xué)性能[2]。

圖2 漿液在圖層中擴散機理模式

當(dāng)漿液無法通過滲透或劈裂的方式進入地層的空隙時，擠壓填充便發(fā)揮作用。在這一過程中，注漿的壓力迫使?jié){液進入地層，從而將地層壓實，增強其穩(wěn)定性。這種填充方式通常適用于地層空隙較小或地層較為堅硬的情況，通過施加外力，漿液能夠?qū)⒌貙又械念w粒更緊密地結(jié)合在一起，提升地層的整體承載能力和抗變形能力。

在該隧道的斷層破碎帶超前支護施工中，采用了小導(dǎo)管超前注漿支護技術(shù)。該技術(shù)通過在工作面前方設(shè)置小導(dǎo)管并注入漿液，形成殼體保護拱，以有效控制地層變形。注漿材料采用普通水泥單液漿進行施工。材料的選擇和配合比的設(shè)計對注漿效果有著直接影響，因此需要在施工前進行注漿試配以確定最佳配合比。

在斷層區(qū)域，每隔3 m實施注漿作業(yè)，注漿導(dǎo)管從小導(dǎo)管鉆孔穿透，然后布置在工字鋼拱架最上方，在小導(dǎo)管安裝完成后將其端部和拱架焊接在一起形成可靠支撐。隧道超前小導(dǎo)管的注漿，通常使用長度為4～6 m、直徑為42 mm、壁厚為4 mm的熱軋無縫鋼管。在掌子面上臺階位置，噴射厚度為10 cm的細石混凝土進行封閉，從而形成止?jié){墻。該工程使用2臺型號為KBY50/700的注漿泵，初期支護時應(yīng)及時安裝注漿小導(dǎo)管，并根據(jù)工程進度及時進行注漿。為了趕工期，在邊墻上預(yù)埋直徑為10 mm的鋼筋，并采用鐵絲將注漿管與鋼筋固定牢固，然后采用4臺注漿泵進行注漿，從而提高注漿效率。

在考慮小導(dǎo)管的預(yù)先支撐功能時，內(nèi)部導(dǎo)管的外側(cè)傾斜角設(shè)定為10°，而外部導(dǎo)管的外側(cè)傾斜角則為30°。環(huán)向的間隔保持在40 cm，雙層排列的間距同樣為

40 cm，且每層導(dǎo)管應(yīng)交錯排列以增強結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。注漿時的壓力應(yīng)控制在1.5～2.0 MPa，且兩個循環(huán)的注漿區(qū)域應(yīng)有1 m的重疊部分，以確保連續(xù)性。在注漿過程中，可以采用間隔孔注漿的方法。一旦注漿壓力達到預(yù)定的壓力，即停止注漿。在隧道溶洞段ZK145+195段施工完成后，對徑向和縱向的超前支護進行數(shù)值模擬，整體網(wǎng)格模型透視圖如圖3所示：

圖3 整體網(wǎng)格模型透視圖

3.2 三臺階七步開挖施工技術(shù)

在該隧道工程項目中，使用三臺階七步開挖施工技術(shù)完成開挖施工。三臺階七步開挖施工技術(shù)采用超前地質(zhì)預(yù)報、探水、注漿堵水等預(yù)處理措施，同時采用預(yù)留核心土的開挖技術(shù)，以減少對圍巖的擾動并有效控制圍巖變形。三臺階七步開挖施工工序圖如圖4所示，其詳細步驟如下[3]：

（1）頂部拱形導(dǎo)坑挖掘。在拱頂區(qū)域完成超前支護作業(yè)后，沿環(huán)向挖掘頂部的拱形導(dǎo)坑，并保留中心土體。建議中心土體的長度為3～5 m，寬度為隧道開挖寬度的1/3左右。挖掘的循環(huán)步長應(yīng)依據(jù)初期支護的鋼架間距進行設(shè)定，且最大步長不應(yīng)超過1.5 m。

（2）中部和下部臺階挖掘。挖掘步長同樣依據(jù)初期支護鋼架的間距進行確定，最大步長不得超過1.5 m。挖掘高度通常在3～3.5 m，左右兩側(cè)臺階的挖掘應(yīng)錯開2～3 m的距離。通過采取錯開開挖的方式，可有效減少對周圍巖石的連續(xù)性干擾。

（3）中心土體保留。在各個臺階的挖掘過程中，應(yīng)分別保留相應(yīng)的中心土體，其挖掘的步長應(yīng)與各臺階的循環(huán)步長相匹配。

（4）隧道底部挖掘。建議每個循環(huán)的挖掘長度控制在2～3 m，挖掘完成后應(yīng)立即進行仰拱的初期支護工作。在完成兩輪隧道底部的開挖和支護后，應(yīng)迅速進行仰拱施工。

該施工技術(shù)優(yōu)點在于能夠及早封閉成環(huán)，保證施工安全，并可通過平行流水作業(yè)提高施工效率。同時，三臺階七步開挖法在地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變的隧道施工中，能夠快速轉(zhuǎn)換施工方法，確保工期進度達到預(yù)期目標(biāo)，增強了安全和工期的保障性。此外，該施工技術(shù)的施工工藝簡單，施工投入成本少，對于軟弱圍巖隧道施工具有重要的應(yīng)用價值。

4 結(jié)論

該文針對復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道施工關(guān)鍵技術(shù)進行了研究分析，通過對某隧道工程項目的深入勘察，發(fā)現(xiàn)斷層及巖溶發(fā)育對隧道穩(wěn)定性的影響，并有效運用了超前小導(dǎo)管注漿支護技術(shù)和三臺階七步開挖施工技術(shù)，實現(xiàn)了圍巖變形的有效控制并提高了施工安全性。研究結(jié)果表明，該工程項目的優(yōu)化措施提高了施工效率、降低了工程風(fēng)險，為類似復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道工程提供了寶貴的理論參考與實踐經(jīng)驗。該文所得出的結(jié)論不僅豐富了隧道施工技術(shù)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究，也為工程實踐中的技術(shù)創(chuàng)新與優(yōu)化提供了科學(xué)依據(jù)。

參考文獻

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[3]申靈君.軟弱地層大斷面隧道施工方案優(yōu)化與施工技術(shù)研究[D].長沙：中南大學(xué)， 2012.